汽车传动系统参数的优化选择

殷文芬

（德州学院汽车工程学院，山东德州　253023）



汽车传动系统参数的优化选择

殷文芬

（德州学院汽车工程学院，山东德州253023）

摘要：汽车传动系统参数是决定汽车动力性和经济性好坏的关键因素，通过对汽车动力性和燃油经济性分析，总结出汽车传动系统参数的优化方向，并在此基础上通过求解约束问题极小值的复合形法进行传动系统参数的优化实验。

关键词：汽车传动系统；优化；指标

在开发一款新的车型和对已有车型进行改进，汽车的动力性和经济性始终是研究人员最为重视的一个方面。目前，国内外对于汽车传动系统的优化措施主要包括以下3个方面。

（1）汽车传动系统的优化应该与汽车舒适性、操纵稳定性、噪声震动等方面相适应，为汽车整体的优化打下基础。

（2）充分考虑汽车在运行过程中，空载和满载等不同工况的特征，考虑到汽车所行驶条件对汽车动力性和经济性的影响。

（3）充分利用科学技术的发展成果，建设开发出更加迅速强大，计算能力更强的设计软件和系统。

1　汽车传动系统的概念

图1　汽车传动系统总成

汽车发动机与驱动轮之间的动力传递装置称为汽车的传动系。传动系统作为汽车重要的组成部分之一，是将发动机产生的力矩通过离合器、变速器、传动轴、万向节、差速器和半轴传递给驱动轮，使车辆运动。在汽车行驶过程中，通过控制离合器的分离和结合，以切断和传递发动机力矩，向车轮输入动力。如图1所示。

2　影响传动系统参数的指标

目前，我国针对汽车传动系统的优化措施是在汽车总质量，质量的轴荷分配，滚动阻力和空气阻力等量已确定的情况下，进行合理的设计和选择传动系参数，从而大幅优化汽车的动力性和燃油经济性。

一般的，对于传动系统参数的选择方法是通过汽车传动系统参数设计评价指标的研究来进行优化设计的。对于汽车传动系参数的评价指标，一般是用汽车的动力性和燃油经济性的加权值作为评价指标。汽车动力性的好坏，是汽车传动系统优劣的重要体现之一。同样的，汽车燃油经济性的高低，也可以通过传动系统体现出来。

（1）动力性的评价指标。根据汽车理论知识，汽车动力性评价指标有最高车速、加速时间和最大爬坡度。汽车驱动力的大小能够体现汽车动力性的好坏。驱动力越大，克服汽车行驶阻力的能力越强，动力性越好。汽车最高车速是表征汽车动力性的评定指标之一，汽车最高车速的增大，能够确定发动机输出功率的变化，根据公式：

式中：Pe为发动机功率；ηT为机械效率；Pf为滚动阻力功率；Pw为空气阻力功率；Pi为坡度阻力功率；Pj为加速阻力功率。

根据汽车速度公式可以知道，当发动机转速一定，车轮半径不变的情况下，汽车传动系传动比，即igi0的变化，直接影响到汽车的最高车速。而通过汽车发动机功率公式可以得到汽车车速的增加能够提高汽车发动机功率，体现出汽车动力性的增加。因此，通过讨论汽车动力性的好坏，可以得到：汽车传动系统的优化，是以改变汽车传动系传动比来实现的。

（2）燃油经济性的评价指标。目前，汽车的燃油经济性的评定指标主要是等速百公里燃油消耗量和一定燃油量所能行驶的里程。根据汽车燃油消耗量公式：

式中：Ua为汽车车速，n为发动机转速，r为车轮半径，ig为变速器传动比，i0为主减速器传动比。

可以得到：汽车燃油消耗量的大小也和汽车发动机功率以及汽车车速有关。从汽车结构方面，提高燃油经济性的途径可以增加汽车传动系统的档位数，增加汽车传动系的档位数，也是增加了选用合适档位使发动机处于经济工作状况的机会，从而有利于提高汽车的燃油经济性。而档数无限的无级变速器，可以在任何条件下提供使发动机在最经济工况下工作的可能。因此，通过讨论燃油经济性，可以得到：传动系的优化通过改变传动系统的档位数和采用无级变速的方式实现。

3　汽车传动系统参数优化

针对上述汽车动力性和燃油经济性的讨论，结合动力性和燃油经济性模拟计算程序，从而开发出一款汽车传动系统参数优化设计系统。通过求解约束问题极小值的复合形法，可以方便的得出汽车传动系参数的优化解。

（1）选取优化设计变量。根据之前的分析，传动系的主要优化参数就是各档位的传动比ig和主减速器传动比i0，因此，优化模型的设计变量应该选为：

式中：igi为变速器第i挡传动比，i0为主减速器传动比。

（2）动力性目标函数的建立。选取汽车原地起步时连续换挡的加速时间作为目标函数，在优化中要求加速时间尽量小。因此:

式中：Vmin为最小稳定车速；δ0为非稳定工况时发动机特性变化及惯性影响回转质量系数；Ga为汽车总质量。

（3）经济性目标函数的建立。在机动车经济性中，要按照多种工况循环使用油耗作为评价指标建立汽车经济性的目标函数，包括加速、等速、减速和怠速等工况。因此，多工况循环耗油量只和为：

式中：α、β、γ、σ分别为等速段、加速段、减速段和怠速段总数；Q1、Q2、Q3、Q4分别为等速、加速、减速和怠速的油耗；γ为燃油的重度；ge为燃油消耗率；s1，s2，s3为等速、加速、减速段行程；u0，ut为加速起始、终了的车速；u01，ut1为减速起始、终了的车速；td为怠速时间；s为整个多工况循环行程。

（4）双目标函数优化成单一目标函数

f（X）=ω1f（X1）+ω2f（X2）

式中：ω1，ω2分别为动力性、经济性加权因子；f（X1）为动力性目标函数；f（X2）为经济性目标函数。

（5）变速器速比的约束条件。将五档变速器机动车进行优化，变速器各档传动比之间的公比为:

当q值确定后，则有：

（6）整车基本性能要求约束条件

（7）优化数学模型。根据前文分析，可得到优化问题模型为：

由于优化过程的目标函数和约束条件较为复杂，需要大量的数值计算，因此我们采用matlab编程，选择求解约束问题极小值的复合形法进行求解。

利用复合形法程序框图输出目标函数最小的点作为汽车传动系的最优点。利用该系统对实验样车的汽车传动系统进行优化。已知条件：汽车总重W=26460N，轴距L=2059m，轮距B=1.41m，迎风面积A=20846m2，风阻系数CD=0.45。该车发动机功率Pe=52.3kW，最大扭矩Me=172. 5N，轮胎半径r=0.317m。

机械式五档变速器变速比如表1所示，不同加权因子条件下的传动比优化结果如表2所示。

表1　实验样车变速比

从表2中可以看出，传动系参数经过优化后，功率损失有了下降，同时降低了六工况实验条件下的累计使用油耗。优化后的六工况使用油耗比不优化的六工况使用油耗降低了2.72%。从表中可以得到优化后的动力性和燃油经济性均有明显改善。

表2　不同加权因子条件下传动比优化结果

4　结语

对于较为普遍的五档变速器乘用车，运用线性加权将动力性和燃油经济性这两个目标函数转化为单一目标函数，根据汽车在不同运用情况下选取不同的加权因子，使乘用车传动参数能够得到最优化的结果，从而提高汽车的整体性能。

参考文献

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［2］卢晓辉.汽车传动系的滚动优化控制研究［D］.吉林：吉林大学，2013.

［3］余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，1985.

［4］宋宝玉.汽车传动系参数优化设计系统的研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2001，（4）.

［5］刘惟信.机械最优化设计［M］.北京：清华大学出版社，2000.

Optimization and Selection of Parameters of Automobile Transmission System

YIN Wen-fen
（Collegeof Automotive Engineering，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253023，China）

Abstract:Parameter of automobile transmission system is a key factor which decides the power performance and the economy of the automobile，through analysis of power and fuel economy of automobiles，this paper sums up the optimizing direction of automobile transmission system parameters，and on this basis，implements optimization experiment of automobile transmission system parameters by complex method.

Key words:Automobile transmission system；Optimization；Index

作者简介：殷文芬（1994-），女，大学本科，主要研究方向：交通运输。

收稿日期：2016-01-07

中图分类号：U463.2

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）02-0032-03